小井眼定向钻井技术研究毕业设计论文.docx

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小井眼定向钻井技术研究毕业设计论文

毕业设计（论文）

题目：

小井眼定向钻井技术研究

小井眼定向钻井技术研究

摘要

20世纪90年代以来，小井眼定向钻井技术作为一种经济型钻井技术取得了长足的进步。

小井眼定向钻井关键技术包括：

小井眼钻井装备及配套工具（近年来国内外开发和研制的小井眼钻井装备及配套工具，包括小井眼钻机；小井眼井下钻具，如各种小井眼钻头、钻井液马达、小井眼用高强度特殊钻杆、减小钻柱振动和疲劳破坏的井下工具、射流冲击器、小井眼打捞和震击工具、小井眼钻具报警系统；小井眼连续取心装置；小井眼井控设备；小井眼固井工具等）；开窗侧钻水平井小井眼钻井技术（开窗侧钻水平井难施工难点是套管开窗，水平段小井眼钻进，介绍套管开窗、侧钻、井眼施工工艺、井眼造斜段、小井眼水平段钻井技术措施及工具要求）;小井眼欠平衡水平井井眼轨迹控制技术（总结了小井眼欠平衡长水平段水平井钻井施工经验，提高了钻井速度）；小井眼开窗侧钻三维水平井钻井技术等这些技术弥补了常规钻井的不足同时也挺高了经济效益加快了油田开发建设为推动石油工业的发展做出了重大贡献。

实践证明开创小井眼侧钻井技术具有重要意义，值得进一步推广

关键词:

小井眼；定向钻井；水平井；井眼轨迹；三维水平

Slimholedirectionaldrilling

摘要

Abstract

20世纪90年代以来，小井眼定向钻井技术作为一种经济型钻井技术取得了长足的进步。

小井眼定向钻井关键技术包括：

小井眼钻井装备及配套工具（近年来国内外开发和研制的小井眼钻井装备及配套工具，包括小井眼钻机；小井眼井下钻具，如各种小井眼钻头、钻井液马达、小井眼用高强度特殊钻杆、减小钻柱振动和疲劳破坏的井下工具、射流冲击器、小井眼打捞和震击工具、小井眼钻具报警系统；小井眼连续取心装置；小井眼井控设备；小井眼固井工具等）；开窗侧钻水平井小井眼钻井技术（开窗侧钻水平井难施工难点是套管开窗，水平段小井眼钻进，介绍套管开窗、侧钻、井眼施工工艺、井眼造斜段、小井眼水平段钻井技术措施及工具要求）;小井眼欠平衡水平井井眼轨迹控制技术（总结了小井眼欠平衡长水平段水平井钻井施工经验，提高了钻井速度）；小井眼开窗侧钻三维水平井钻井技术等这些技术弥补了常规钻井的不足同时也挺高了经济效益加快了油田开发建设为推动石油工业的发展做出了重大贡献。

实践证明开创小井眼侧钻井技术具有重要意义，值得进一步推广

IntwentiethCentury90years,theeyeofdirectionaldrillingtechnology,asakindofeconomictypedrillingtechnologyhasmadeconsiderableprogress.Keytechnologiesinclude:

eyedirectionaldrillingslimslimholedrillingequipmentandtools（slimholedrillingequipmentandtools,inrecentyearsthedomesticandforeignresearchanddevelopmentincludingtheslimholedrilling;slimholedrillingtool,suchasavarietyofSlimholeDrillingBits,drillingfluidmotor,slimholewithspecialhighstrengthdrillpipe,drillstringdecreasesdamagevibrationandfatigueofthedownholetools,jetimpactor,slimholesalvageandjarringtool,slimholedrillinginslimholealarmsystem;continuouscoringdevice;slimholewellcontrolequipment;slimholecementingtools）;sidetrackingslimholedrillingtechnique（sidetrackinghorizontalwellconstructiondifficultiesisdifficultcasingwindow,horizontalSlimholeDrilling,thecasingwindowsidetracking,,constructiontechnology,welleyeobliquesection,horizontalSlimholeDrillingTechnologyMeasuresandtoolsrequired）;slimholeunderbalancedhorizontalwelltrajectorycontroltechnology（theslimholeunderbalanceddrillinglonghorizontalwellboreexperience,raisedrillingspeed）;slimholesidetracking3Dhorizontalwelldrillingtechnology,thetechnologytomakeupfortheinadequacyofconventionaldrillingisalsoquitehigheconomicbenefit.Speedinguptheoilfielddevelopmentandconstructionhasmadegreatcontributiontothedevelopmentoftheoilindustry.Practicehasprovedthathasimportantsignificancetocreateslimholesidetrackingtechnology,worthyoffurtherpromotion

关键词:

小井眼；定向钻井；水平井；井眼轨迹；三维水平井

Keywords:

slimhole;directionaldrilling;horizontalwell;holetrajectory;3-Dhorizontalwell

发展。

§1小井眼的基本概念

对于小井眼的提法有各种各样，不尽相同，国内外到目前为止没有统一的定义。

（1）美国Amoco公司：

90%以上的井眼用小于6″的钻头钻成。

（2）法国Elf公司：

完钻井眼小于常规完钻井眼（81/2″）的井统称为小井眼。

（3）凡是大于23/8″油管不能作内管柱的井称小井眼；

（4）全井90％的井眼直径是用小于7″钻头钻的井称为小井眼；

（5）还有的认为环空间隙小于1″的井眼为小井眼。

目前，比较普遍的定义是：

90％的井眼直径小于7″或70％的井眼直径小于6″的井称为小井眼井。

1.1小井眼钻井技术发展概况

小井眼钻井是于始于上世纪40年代，50年代美国的Carter公司在犹他州，阿肯色州，路易丝安那州等地钻了108口小井眼井，得出的结论是钻小井眼井在经济上是合算的。

据统计，50年代后期至60年代初，世界上有131家石油公司共钻了3216口平均井深为1376m。

的小井眼井（最大井深达3658m），明显降低了钻井成本。

在这期间，小井眼钻井兴旺，开发了小井眼钻井的配套工具，如小尺寸卡瓦、吊卡、扶正器、防喷器、井口等。

进入60年代中后期，世界范围内小井眼活动减少，主要原因是借助常规钻机或改进的常规钻机打小井眼井节省费用不大。

70年代初，开始借用采矿业的小井眼连续取心钻机钻井，并专门研制专用的小井眼钻机，例如瑞典的Cordell公司研制的MD系列钻机。

80年代中期以前，小井眼没有引起石油界足够的重视，原因之一是当时的油价较高。

原因之二是小井眼钻井技术还不完善。

80年代中期以来，由于油气价格的下跌，世界范围内石油工业不景气，钻井综合成本压力大，小井眼又引起广泛重视。

当时英国的BP公司1986年在Plunger油田，用MD－3型小井眼钻机钻6口1000M的井，并取得了很好的效果。

这几口井的井身结构为

61/4″（168.75mm钻头）×51/2″（139.7mm套管）×40m

43/4″（120.65mm钻头）×37/8″（96.875mm套管）×500m

33/8″（85.725mm钻头）×27/8″（73.914mm套管）×1000m

90年代小井眼钻井成为世界范围内的热门技术之一，并且小井眼钻井技术和装备趋于成熟，特别是连续软管钻井技术的发展，使小井眼可完成常规井眼完成的任务，例如小井眼定向井、水平井、大位移井、欠平衡压力钻井、地质导向钻井等。

电子学的进步为小井眼技术的发展奠定了基础。

采用小型传感器就不必利用常规直径的油井来获得地下信息。

从而可大大降低成本。

就目前的勘探技术、油藏描述技术及输送EOR化学药剂的技术来说，采用直径为3.2-6.03cm的小井眼与2.22cm的小型测井工具组合将是一个很好的选择方案。

美国能源部（DOE）正在开发通过小井眼技术减少获得地下信息成本的技术。

该项目的主要任务包括：

（1）利用当前可用的连续管技术对浅井进行小井眼钻井；

（2）对深井小井眼钻井的可行性进行评估；（3）将井底钻井设备小型化，并对其进行测试；（4）将测井工具小型化；（5）在地震检测仪器设备中结合新兴的小型传感器技术；（6）通过小井眼来输送EOR化学药荆。

小井眼钻井系统由1个机械旋转的刮刀钻头、1个水力驱动的容积式马达以及连续管钻柱等组成。

通过对井径为4.45cm垂直井的小井眼钻井系统的工业可行性实验研究表明该系统适用于连续管钻井，在Cathie大理岩与Berea砂岩中的钻进速度可达30.5m/h。

在常规油田测井工具中标准尺寸最小的直径为4.29cm，这对小井眼来说尺寸仍太大，无法使用。

因而，按常规设计了2.22cm的伽马测井工具，结合密度与井径测井曲线，可提供足够多的测井资料。

目前还没有适于小井眼尺寸的井径测量工具，但将其微型化也不是很难。

此外，还需要小型轻便的测井电缆以及相关的数据采集系统，而采用连续管传送测井工具将成为可能。

迄今为止，小井眼钻井活动遍及世界许多国家，如美国、法国、德国、英国、加拿大和委内瑞拉等。

9O年代，世界钻小井眼井的数量呈不断增长趋势。

美国仍是目前世界上钻小井眼井最多的国家．而且在老井加深、侧钻领域应用小井眼技术最多，特别是侧钻短半径水平井。

由于小井眼钻井的自身优势，在世界范围内正蓬勃发展，小井眼正在部分的取代常规井眼，给石油工业带来显著的技术经济效益。

1.2小井眼技术发展的原因

1.2.1经济因素

发展和应用小井眼技术的主要目的是降低钻井成本。

据几家石油公司小规模实验统计，与常规井相比小井眼可节省钻井费用25-50%。

在个别边远地区甚至使钻井费用降低75%。

特别是80年代中期油价下跌，迫使各石油公司用更廉价的勘探方法，小井眼便是其主要途径。

具体原因

（1）小井眼钻井的初期投资较小，包括使用较小的钻机、较小的井场、较细的管材、较少的泥浆、水泥等；

（2）小油藏使用小井眼钻井技术可以较经济地采油；

（3）对于有疑问的产层（主要勘探）可以经济测试；

（4）小井眼的修井成本较低；

（5）小井眼的整体开发成本较低。

以上这些因素对于油公司和钻井承包商都具有很大的吸引力。

1.2.2技术进步

进入80年代，小井眼钻井装备（小井眼钻机、连续软管钻机）、工具（小尺寸防喷器、井口、钻头、井下动力钻具等）和整套小井眼钻井技术（小井眼水力学、井控技术、固井完井等）均取得重大发展，使安全经济地进行小井眼钻井成为可能。

1.2.3勘探开发的需要

在边远地区，地面条件恶劣，运输困难的地区，勘探工作风险大，地震工作在短时间内不能获得精确的地下资料，在这些地区打一些小井眼连续取芯的探井，可及早搞清地下情况，及早作出决策，减小勘探

1.2.4环境保护的压力小

小井眼钻机占地面积小，小井眼比常规井眼井径缩小一半，钻井液用量及岩屑量减少75%，施工机具用量大幅度下降，对环保有利。

国内外对环境保护问题越来越重视，钻井作业带来的大量钻井液、废油、水泥浆、钻屑，各种废料的处理和排放、空气污染和噪声污染等问题一直使钻井承包商感到头疼。

小井眼钻井使这些问题得到了较好的解决。

BP勘探作业公司对环境保护和费用方面作了小井眼与常规井的比较，如图1-1所示。

从图中可以看出，在井深相同时，小井眼较常规井眼井径缩小50%，钻井液用量和排放钻屑量减少75%，这些对环境保护很有利。

此外，小井眼费用也较常规井减少40%。

的风险。

图1-1小井眼与常规井比较

图1-2不同尺寸井眼的费用和时间对比

从图1-2分项费用分析中可以看出，小井眼钻井费用降低主要在以下三个方面：

（1）钻前费用，即井场及钻机搬迁费用，约占节约总费用的30%左右。

随着井深加大，其比例下降，这说明小井眼要用轻便钻机。

（2）钻井液、套管、水泥及注水泥费用，约占节约总费用的30%以上。

随着井深加大，其比重上升。

（3）评价费用，包括录井、测井、中途测试、岩心分析等费用，约占节约总费用的11-12%。

基本上不随井深变化而变化。

以上三项节约的费用占总节约费用的70-80%。

§2小井眼钻井系统、装备及工具

2.1小井眼钻井系统

专用小井眼钻井系统是实现小井眼钻井的关键。

典型小井眼钻井系统有3种基本型式，转盘钻进、连续取芯钻进和井下马达系统。

共同特点是：

采用小钻机、小直径钻具和高转速钻进，比常规钻井系统可节约钻井成本40-70%。

2.1.1转盘钻进系统

采用小直径钻杆和高速度的金刚石钻头，钻速一般可达6m/h。

该系统可用在50.8mm小井眼内进行取芯钻进、扩眼完井，还可以用于老井加深的小井眼完井。

2.1.2连续取芯钻进系统

Amoco公司最早研制并使用了这种钻井系统，采用矿业取芯小钻机，液压顶驱，外平接头薄壁钻杆，电缆可回收岩芯筒和取芯钻头。

顶驱钻速可高达2250r/min，一般使用400-800r/min，采用电缆可回收岩芯筒和111.3mm取芯钻头，得到连续岩芯长度可达12.19m。

在开发井的小井眼取芯钻井中，取芯率高达98.3%。

2.1.3井下动力钻具钻进系统

国外已研制了多种小型井下动力钻具（又称井下马达）用于钻小井眼井。

螺杆钻具直径为38.1-85.73mm，可钻井眼直径相应为50.8-114.3mm。

钻井速度为500-1000r/min，钻井速度比转盘钻快3-5倍。

2.1.4小井眼水平钻井系统

常用的小井眼钻井系统采用小井眼高速螺杆钻具（300-800r/min），配以特别的侧向齿热稳定金刚石TSD钻头或PDC钻头，在螺杆钻具上配有两个弯短节和一个造斜滑块。

实验证实小直径螺杆钻具直径为60.33mm-85.73mm，配以TSD和PDC钻头，在转速为600-1000r/min范围内钻不同地层，此转速低的牙轮钻头以150r/min钻进速度快3-5倍。

2.2国外小井眼钻井设备的发展现状

（1）由常规石油钻机改造的小井眼钻机美国Pacer钻井公司、Coffer公司在常规石油钻机上装配了1套钢丝绳连续取芯装置，将其改造成能钻6000m的小井眼钻机。

并制造了能满足钻压和转速要求的92.7mm特殊钻柱。

法国Fortson—Former公司分别改造成功了1台W—NApache型拖车式、全自动液压驱动小井眼钻机和1台可控硅电驱动半自动钻机。

其共同特点是自动化程度高、作业更安全、效率高，只需3人操作，所用钻杆较常规钻杆长，钻机配备有液压大钳，自动卡瓦，管子自动排放系统，并配有220kW（300hp）液动顶驱装置，钻机体积小，钻井深度2500m。

意大利改装成的G150钻机，全部采用液压驱动，整部钻机安装在1台半联挂式牵引车上，移动非常方便。

其顶部驱动装置安放在井架上，并由2根钢缆悬吊，缆绳滑轮在液压缸顶部，并固定在半挂车的支架上，可使大钩具有液压缸伸缩速度的2倍。

液压缸支撑柱轻便又可改变高度。

改造的另一部分是竖直钻杆排放导轨系统，共有12个排放钻杆笼，每个可装18根88.9mm立根，利用一悬臂吊可把钻杆抓举到井眼中。

钻机最大起吊行程可达16m，钻机平台高度为6.1m，顶驱由4个液压马达组成，并可提供可达36kN·m的扭矩，发电系统和冷却风扇都安装在隔音房内，钻机平台上安置了自动化液压卡瓦和动力大钳，专门设计的小井眼钻井液处理系统也集中在钻机上，泥浆槽容量为80L/cm便于快速监测。

该钻机的质量为20t，可钻2000m以下的井。

据英国壳牌公司统计，至少有5个国家将常规钻机改造成小井眼钻机，并钻了几百口井，在一定程度上，取得了较好的经济效益。

但改造的小井眼钻机，系统工作不可靠，尤其是升降系统，在下套管时常会出现故障；改造型钻机平台不标准，配套设备及工具（如卡瓦、大钳、升降系统等）在钻机平台上布置不易协调，势必会影响钻井作业时间；对钻机实现完全自动化改造，需投资费用较高。

所以，国外钻井经验表明，使用改造的小井眼钻机还不能取得非常令人满意的效果。

（2）专门设计的几种典型小井眼钻机

瑞典Microdrill公司是最先设计小井眼钻机的公司，已设计了800m、1500m、1700m三种规格的小井眼钻机，其中MD-1500型钻机井架高11m，最大钻深1500m，液压顶部驱动装置安装在井架上，钻台配有自动液压卡瓦，采用3m长外平内加厚钻杆，接单根时用人工放在钻柱顶部，用旋转头旋合螺纹，所用钻具外径为25～127mm，钻机井场面积为42m×25m。

Longyear公司生产的PM603小井眼取心钻机，采用双筒连续取芯筒，岩芯通过取芯钻头进入27m长内筒，筒满后，可在钻具内将钢丝绳打捞筒下入井内，与取芯筒内筒连接提至地面，然后再将另一内筒下入井内。

采用液压顶驱，可钻3000m（完井井径77mm），据称是目前世界上最好的取芯钻机。

美国Standard公司设计了一台专门用于印尼爪哇的Irion沼泽地小井眼钻机，该钻机装在9个8m长、2m宽、1m深的滑撬上。

在35000km2沼泽地内移运非常方便。

另外，Concho和Westbourne公司还专门制造了可用SkokieS-58T直升飞机搬运（每次搬运1.8t）的钻机，直接用飞机吊装。

搬运这种钻机只需100架次，而搬运常规钻机需500多架次。

Amoco公司和Nabobs工业公司联合研制的Nabors170型小井眼钻机，井架高26m，可钻3600m井，该钻机配有2台239kW（325hp）柴油机，比常规钻机装机功率减少4/5，通过液压系统分别驱动257kW（350hp）液压绞车和2台122kW（165hp）三缸钻井泵，其顶部驱动既可提供低转数（150r/min）、高扭矩（13.83kN·m），又可提供连续取芯时的高转数（1000r/min）、低扭矩（1.66kN·m），起下钻时，可进行划眼或倒划眼。

该钻机配有Amoco公司的数据控制系统和井控专家系统，可实时收集、处理、储存、显示各钻井参数，专家系统能自动判断井涌并通知司钻，若司钻没有做出反应，系统10s内自动采取措施。

该钻机采用模块化设计，每块不超过2.7t，由直升飞机吊运。

随着国外小井眼钻机技术的发展，许多公司都已形成各自的小井眼钻机系列。

例如，意大利的SilviaBallerinas公司的ST系列包括ST-2、ST-4、ST-6、ST-10，钻井深度从980-3500m；Advance公司的G系列车装钻机包括G-14、G-22、G-35、G-55、G-75，钻井深度从800-1800m；美国的CBC公司的CS系列包括CS-1000、CS-2000、CS-4000，钻井深度从1000-4000m，其中CS-4000钻机可进行连续取芯钻井。

另外，小井眼钻机的机械化、自动化、智能化水平非常高；井队作业人员非常少，一般只需2-3人操作，有的只需1人操作，且作业过程准确、安全、可靠、省时（如接单根在1min内完成）。

（3）小井眼钻具的发展现状

①钻头常规小尺寸牙轮钻头不能适应小井眼高转数，因为转速高，轴承磨损快，钻头进尺小，效率非常低。

因此，国外在70年代已研制开发了抗偏转的PDC钻头，热稳定聚晶金刚石钻头（即TSP钻头）和天然金刚石钻头，这几种钻头都能适应高转速、全面钻进、连续取芯和与泥浆马达配合使用，且寿命都比常规牙轮钻头高4倍以上。

新型的PDC聚晶金刚石钻头和TSD金钢石钻头，外形为穹形刀头，对深层、中硬地层二叠纪的钻井及扩眼效果非常好，在降低扭矩、钻头冷却方面都比普通的PDC和TSD钻头效果好。

最近美国见克休斯公司已研制成功一种适合于小眼井高速旋转的三牙轮钻头，其滑动轴承采用专门设计的ATJ-33O型环密封，有非常高的可靠性。

②钻柱国外小井眼钻井一般用88.9mm钻杆。

而对于用120.7mm或更小尺寸钻头钻井时，则用73.25mm或60.325mm钻杆。

对于较小尺寸的钻杆，由于其抗拉、抗扭强度的限制，使得小井眼钻进过程中钻头加压和扭矩能力降低。

因此，国外研制成功了高强度钻杆和优质接头以及适应小井眼钻柱组合的直径为88.9mm，95.2mm，120.7mm等几种规格的或成系列的钻头加压器、振击器、钻杆工具接头、可变径扶正器等井下钻井工具。

③井下取芯工具Amoco公司已研究出一种地层高速钻井系统，即在小井眼钻井中采用连续取芯技术，同时也研制开发了一种钢丝绳连续取芯筒，即将岩芯筒做成双筒式，钻进过程中岩芯进入内筒，然后用钢丝绳通过钻柱将内筒打捞提出，再下入1个新的内筒与取芯外筒连接好，继续取芯。

例如CBC公司的CBC系列钢丝绳取芯系统。

④打捞工具小井眼打捞工具乃是非常重要的工具，国外已专门设计制造了几种直径在103.2mm以下的打捞筒，可以打捞小井眼钻井事故中的各种落鱼，其提升能力都在20t左右，足以打捞起井下钻柱总成。

⑤测井设备正是由于小井眼测井设备的发展，才使得小井眼钻井在国内外再次兴起。

目前国外生产完井测量仪器外径可小到76.2mm，空间控制仪器外径可小到35mm，MWD外径可小到88.9mm。

斯伦贝谢最近已研制成功了外径51mm和44mm的定向井MWD工具。

⑥完井工具适应于小井眼完井的各种规格的尾管悬挂器、封隔器、射孔枪、砂控工具，在国外都有系列产品。

保证了小井眼完井方案的可靠实施。

2.3国内小井眼钻井设备现状

国内各油田及钻井公司钻小井眼设备多数为小型常规钻机、地质勘探钻机、修井机，有些油田甚至还用到中型钻机，形成“大马拉小车”的现象。

近几年来国内钻小井眼井所用钻机大概有以下几种主要类型：

吉林油田使用F100型钻机及ZJ15D型钻机钻1500m深的井；四川油田在川西地区用XY5G型矿业钻机和TSJ6/660型水井钻机分别钻1000m以下和1500m小井眼井；胜利油田钻1500m以下浅层气井也曾使用了大庆130Ⅱ钻机和ZJ45型钻机；大庆油田近几年来小眼井钻得较多，占国内80%以上，主要使用进口的1500m车装钻机钻小井眼井；而长庆油田钻小井眼井主要用XJ-450、350、250及T50B几种车装修井机。

从各油田钻小眼井的情况看，由于钻机选择不合理，或钻机不配套（如修井机没有泥浆循环系统），钻井、测井工具不配套，